Skok kwantowy Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley w badaniach nad ciemną energią

Eksperyment rejestruje atomy podczas swobodnego spadku w celu poszukiwania anomalii grawitacyjnych spowodowanych brakującą energią we wszechświecie.

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley poprawili dokładność eksperymentów grawitacyjnych, wykorzystując… kukurydza Połączenie interferometru z siatką optyczną znacznie wydłużyłoby czas, w którym atomy mogą pozostawać w swobodnym spadku. Chociaż nie odkryto jeszcze żadnych odchyleń od grawitacji Newtona, odkrycia te mogą ujawnić nowe kwantowe aspekty grawitacji i przetestować teorie dotyczące egzotycznych cząstek, takich jak kameleony czy enancjomery.

Dwadzieścia sześć lat temu fizycy odkryli ciemną energię, tajemniczą siłę, która rozpycha wszechświat w coraz większym tempie. Od tego czasu naukowcy szukają nowej, dziwnej cząstki powodującej tę ekspansję.

Przesuwając granice tych badań, Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley Fizycy zbudowali obecnie najdokładniejszy jak dotąd eksperyment mający na celu poszukiwanie niewielkich odchyleń od przyjętej teorii grawitacji, które mogłyby świadczyć o istnieniu takiej cząstki, którą teoretycy nazwali symetrią kameleona.

Eksperyment, który łączy interferometr atomowy do precyzyjnych pomiarów grawitacji z siatką optyczną utrzymującą atomy w miejscu, umożliwił naukowcom unieruchomienie spadających atomów na sekundy, a nie na milisekundy, w poszukiwaniu efektów grawitacyjnych, przewyższając bieżący, bardziej precyzyjny pomiar o współczynnik z pięciu.

Fioletowe światło z lasera podczerwonego oświetla stół optyczny użyty w eksperymencie. Laser służy do precyzyjnej kontroli stanów kwantowych atomów cezu w komorze próżniowej. Źródło zdjęcia: Laboratorium Holgera Müllera

Badanie kwantowej natury grawitacji

Chociaż badacze nie znaleźli żadnych odchyleń od tego, co przewidywała teoria Izaaka Newtona 400 lat temu, oczekiwana poprawa precyzji eksperymentu może ostatecznie doprowadzić do dowodów potwierdzających lub obalających hipotetyczne teorie lub homologi piątej siły za pośrednictwem kameleona. .

Zdolność interferometru atomowego sieci krystalicznej do utrzymywania atomów przez maksymalnie 70 sekund – a być może 10 razy dłużej – otwiera również możliwość badania grawitacji na poziomie kwantowym, powiedział Holger Müller, profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Chociaż fizycy mają dobrze sprawdzone teorie opisujące kwantową naturę trzech z czterech sił natury – elektromagnetyzmu oraz sił silnych i słabych – kwantowa natura grawitacji nigdy nie została udowodniona.

Większość teoretyków prawdopodobnie zgodziłaby się, że grawitacja jest kwantowa. „Ale nikt nigdy nie widział eksperymentalnego podpisu tego” – powiedział Mueller. „Bardzo trudno jest stwierdzić, czy grawitacja jest kwantowa, ale gdybyśmy mogli utrzymać nasze atomy 20 lub 30 razy dłużej niż wszyscy inni, ponieważ nasza czułość wzrosła do drugiej lub czwartej potęgi czasu utrzymywania, moglibyśmy mieć od 400 do 800 000 razy lepiej szanse na znalezienie eksperymentalnego dowodu na to, że grawitacja jest w rzeczywistości mechaniką kwantową.

Siatka optyczna zatrzymuje grupy atomów (niebieskie dyski) w regularnym układzie, dzięki czemu można je badać przez ponad minutę wewnątrz interferometru siatkowego atomów. Poszczególne atomy (niebieskie kropki) są umieszczone w kwantowej superpozycji przestrzennej, czyli w dwóch warstwach sieci jednocześnie, co pokazują długie żółte paski. Prawa autorskie: Sarah Davis

Zastosowania i przyszłe kierunki wykrywania kwantowego

Oprócz precyzyjnych pomiarów grawitacji, inne zastosowania interferometrów atomowych sieci obejmują wykrywanie kwantowe.

„Interferometria atomowa jest szczególnie wrażliwa na efekty grawitacyjne i bezwładnościowe” – powiedział Christian Banda, doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, pierwszy autor artykułu na temat pomiarów grawitacyjnych, który ma zostać opublikowany w tym tygodniu w czasopiśmie Science Alert. Natura „Ale otwiera to nowy kierunek w dziedzinie interferometrii atomowej, w której kwantowe wykrywanie grawitacji, przyspieszenia i rotacji można przeprowadzić przy użyciu atomów zamkniętych w siatkach optycznych w zwartej obudowie odpornej na defekty środowiskowe i hałas”.

Ponieważ sieć optyczna utrzymuje atomy stabilnie na miejscu, interferometr atomów sieci optycznej może działać nawet na morzu, gdzie wykorzystywane są czułe pomiary grawitacji do mapowania geologii dna oceanu.

Wgląd w ciemną energię i cząstkę kameleona

Ciemną energię odkryły w 1998 roku dwa zespoły naukowców: grupa fizyków z Lawrence Berkeley National Laboratory, kierowana przez Saula Perlmuttera, obecnie profesora fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, oraz grupę astronomów, w tym Adama Riesa, staż podoktorski na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Oboje się podzielili Nagroda Nobla 2011 w dziedzinie fizyki Odkrywać.

Naukowcy odkryli, że Wszechświat rozszerza się zbyt szybko, śledząc odległe supernowe i wykorzystując je do pomiaru odległości kosmicznych. Pomimo wielu spekulacji teoretyków na temat tego, co rozdziela przestrzeń, ciemna energia pozostaje tajemnicą — wielką tajemnicą, ponieważ około 70 procent materii i energii w całym wszechświecie ma postać ciemnej energii.

Na tym zdjęciu widać skupiska około 10 000 atomów cezu unoszące się w komorze próżniowej, lewitowane przez krzyżujące się wiązki laserowe, które tworzą stabilną sieć optyczną. Cylindryczny ciężar wolframu i jego wsparcie są pokazane na górze. Źródło: Christian Banda, Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley

Jedna z teorii głosi, że ciemna energia to po prostu energia próżni kosmicznej. Inna teoria mówi, że jest to pole energetyczne zwane esencją, które zmienia się w czasie i przestrzeni.

Inna sugestia jest taka, że ​​ciemna energia jest piątą siłą znacznie słabszą od grawitacji i pośredniczą w niej cząstki wywierające siłę odpychającą zmieniającą się w zależności od gęstości otaczającej je materii. W próżni otaczającej przestrzeń wywierają siłę odpychającą na duże odległości, zdolną do odpychania przestrzeni od siebie. W laboratorium na Ziemi, gdzie materia otacza ją ze wszystkich stron, aby ją chronić, zasięg cząstki byłby bardzo mały.

Cząsteczkę tę nazwano kameleonem, jakby ukrywała się na widoku.

Postępy w technikach interferometrii atomowej

W 2015 roku Mueller zmodyfikował interferometr atomowy, aby szukać dowodów na istnienie kameleona za pomocą atomów cezu wystrzeliwanych do komory próżniowej, która symuluje próżnię kosmiczną. W ciągu 10–20 milisekund atomy unosiły się i opadały na wierzchu ciężkiej aluminiowej kuli, a on i jego zespół nie wykryli żadnych odchyleń od tego, czego można by się spodziewać po normalnym przyciąganiu grawitacyjnym kuli i Ziemi.

Kluczem do wykorzystania swobodnie spadających atomów do badania grawitacji jest możliwość wzbudzenia każdego atomu w kwantowej superpozycji dwóch stanów, każdy o nieco innym pędzie, przenoszonych na różne odległości przez ciężki ciężar wolframu wiszący nad naszymi głowami. Im wyższy pęd i większa wysokość, tym wolfram doświadcza większej grawitacji, co powoduje zmianę jego fazy. Kiedy funkcja falowa atomu zanika, różnica faz między dwiema częściami fali materii ujawnia różnicę grawitacyjną między nimi.

„Interferometria atomowa to sztuka i nauka wykorzystania właściwości kwantowych cząstki, to znaczy faktu, że jest ona zarówno cząstką, jak i falą. Rozdzielamy falę tak, aby cząstka przebiegała jednocześnie dwiema drogami, a następnie my ostatecznie wtrącili się między nich” – powiedział Müller. „Fale mogą być w fazie i nakładać się na siebie, albo fale mogą być przesunięte w fazie i znosić się nawzajem. Rzecz w tym, że to, czy są w fazie, czy też nie, zależy w dużej mierze od wielkości, którą warto zmierzyć. takie jak przyspieszenie, grawitacja, obrót lub stałe podstawowe.

Poszerzanie granic fizyki eksperymentalnej

W 2019 roku Müller i jego współpracownicy dodali siatkę optyczną, aby utrzymać atomy w pobliżu masy wolframu przez znacznie dłuższy okres – zdumiewające 20 sekund – w celu zwiększenia wpływu grawitacji na fazę. Siatka optyczna wykorzystuje dwie skrzyżowane wiązki laserowe, tworząc przypominający siatkę układ stabilnych miejsc, w których gromadzą się atomy, wznosząc się w próżnię. Zastanawiał się, czy 20 sekund to limit?

W szczycie COVID-19 W czasie pandemii Panda niestrudzenie pracowała nad wydłużeniem czasu oczekiwania, metodycznie ustalając listę 40 potencjalnych przeszkód, dopóki nie udowodniła, że ​​chwiejne nachylenie wiązki lasera spowodowane wibracjami stanowi istotne ograniczenie. Utrzymując wiązkę w komorze rezonansowej i regulując temperaturę na nieco niższą – w tym przypadku mniejszą niż jedna milionowa Kelvina powyżej Zero absolutnelub miliard razy chłodniej niż temperatura pokojowa — był w stanie wydłużyć czas oczekiwania do 70 sekund.

On i Mueller Opublikowano te wyniki W numerze miesięcznika z 11 czerwca 2024 r Fizyka przyrody.

Splątanie grawitacyjne

W nowo opisanym eksperymencie grawitacyjnym Banda i Müller zamienili krótszy czas, dwie sekundy, na większą separację pakietów fal do kilku mikronów, czyli kilku tysięcznych milimetra. W każdym eksperymencie w komorze próżniowej znajduje się około 10 000 atomów cezu – rozmieszczonych tak rzadko, że nie oddziałują ze sobą – rozmieszczonych przez sieć optyczną w obłokach po około 10 atomów każdy.

„Grawitacja próbuje go zepchnąć w dół z miliard razy większą siłą niż grawitacja bloku wolframu, ale siłę przywracającą zapewnia siatka optyczna, która podtrzymuje go niczym półkę” – powiedział Panda. „Następnie bierzemy każdy atom i dzielimy go na dwa pakiety fal, tak aby znajdowały się teraz w superpozycji dwóch wysokości. Następnie bierzemy każdy z tych dwóch pakietów fal i ładujemy je do osobnego miejsca siatki, osobnego stojaka, tzw wygląda jak szafa. Po wyłączeniu sieci pakiety fal ponownie się łączą.” Wszystkie informacje ilościowe uzyskane podczas instalacji można odczytać.

Panda planuje zbudować własny interferometr atomowy sieciowy na Uniwersytecie w Arizonie, gdzie właśnie został mianowany adiunktem fizyki. Ma nadzieję wykorzystać go między innymi do dokładniejszego pomiaru stałej grawitacji, która wiąże siłę grawitacji z masą.

W międzyczasie Mueller i jego zespół pracują nad zbudowaniem od podstaw nowego interferometru atomowego o strukturze sieciowej, zapewniającego lepszą kontrolę wibracji i niższą temperaturę. Nowe urządzenie może dać wyniki 100 razy lepsze niż dotychczasowy eksperyment. Wystarczająco czuły, aby wykryć kwantowe właściwości grawitacji. Planowany eksperyment mający na celu wykrycie splątania grawitacyjnego, jeśli się powiedzie, będzie podobny do pierwszej demonstracji kwantowego splątania fotonów przeprowadzonej przez nieżyjącego już Stuarta Friedmana i byłego doktora habilitowanego na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley w 1972 roku. Johna ClouseraZa tę pracę Clauser otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2022 roku.

Odniesienie: „Pomiar grawitacji za pomocą interferometru sieci atomowej” autorstwa Christiana D. Bandy i Matthew J. Tao, Miguel Ceja, Justin Khoury, Guglielmo M. Tino i Holger Müller, 26 czerwca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07561-3

Inni współautorzy artykułu Gravity to absolwent Matthew Tao i były student studiów licencjackich Miguel Ceja z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley oraz Justin Khoury z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Uniwersytet Pensylwanii w Filadelfii i Guglielmo Tino z Uniwersytetu Florenckiego we Włoszech. Prace wspierane są przez National Science Foundation (1708160, 2208029), Office of Naval Research (N00014-20-1-2656) i Jet Propulsion Laboratory (1659506, 1669913).